油菜小麥兼用精量排種器的設(shè)計(jì)

油菜小麥兼用精量排種器的設(shè)計(jì)

0小麥排種器的研制根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)，播種效率和質(zhì)量是影響油茶、小麥等作物機(jī)械生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的中心因素。作為種植機(jī)的核心部件，其性能直接決定著茄子和小麥播種機(jī)的排斥性能。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)油菜、小麥的種子特征開(kāi)展專(zhuān)用排種器的研究已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,本文針對(duì)油菜和小麥的物料特性,研究開(kāi)發(fā)了一種氣力式油菜、小麥兼用精量排種器。該排種器采用填補(bǔ)空間實(shí)現(xiàn)充種,在重力和氣力作用下排種,可有效防止型孔堵塞;通過(guò)更換兩種不同形狀型孔的排種滾輪,并調(diào)節(jié)型孔角度、排種滾輪轉(zhuǎn)速和護(hù)種板之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)油菜、小麥排種的兼用。1油菜式氣生果皮混播器、小麥帶的設(shè)計(jì)1.1種氣結(jié)構(gòu)組成氣力式油菜、小麥兼用排種器主要由罩殼、排種滾輪、護(hù)種板、種子箱、隔氣板、平衡氣孔、進(jìn)氣管、氣室、卸種口、排種管和支座等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2排種器工作原理油菜、小麥兼用型精量排種器主要采用填補(bǔ)空間實(shí)現(xiàn)充種,在重力和氣力作用下排種,可有效防止型孔堵塞。該排種器通過(guò)更換兩種不同形狀型孔的排種滾輪,并調(diào)節(jié)型孔角和護(hù)種板護(hù)種角之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)油菜、小麥排種的兼用。該排種器的工作原理如圖2所示,當(dāng)排種器工作時(shí),充種區(qū)的種子在重力和種子群等綜合作用下填補(bǔ)型孔形成新的空間,充種區(qū)的種子群高度通過(guò)輸種管末端開(kāi)口部控制,以防止種子滑落到護(hù)種區(qū)。充滿(mǎn)種子的型孔隨著排種滾輪進(jìn)入清種區(qū),在種子重力和護(hù)種板沿圓弧折彎處作用下清除型孔內(nèi)多余的種子。此時(shí)型孔內(nèi)只有1粒種子,種子在護(hù)種板保護(hù)作用下隨排種滾輪轉(zhuǎn)到排種區(qū),脫離護(hù)種板的作用。排種區(qū)通過(guò)進(jìn)氣管與風(fēng)機(jī)正壓出口連接,使得氣室與卸種口處形成壓力差,種子在重力、離心力以及氣室壓力的綜合作用下均勻地排入排種管,完成排種作業(yè)。為保證卸種過(guò)程中種子受力均勻,設(shè)計(jì)有平衡氣孔,以調(diào)節(jié)氣室壓力。2排種器護(hù)種板設(shè)計(jì)排種滾輪、護(hù)種板和氣室結(jié)構(gòu)是排種器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。其中,排種滾輪主要起囊取與分離種子的作用,其上加工有型孔,是排種器核心部件。護(hù)種結(jié)構(gòu)主要由護(hù)種板、右罩殼組成,護(hù)種板的護(hù)種角影響排種器的護(hù)種效果和種子破損情況。氣室結(jié)構(gòu)影響氣流壓力的均勻性和穩(wěn)定性,繼而影響排種均勻性,是造成型孔堵塞的關(guān)鍵因素。2.1型孔尺寸設(shè)計(jì)排種滾輪的結(jié)構(gòu)如圖3所示,排種滾輪圓周上均布有型孔,型孔形狀及大小由油菜、小麥種子的外形尺寸確定。油菜子近似球形,故選用圖3中1所示的圓柱形型孔;小麥長(zhǎng)度方向與其他兩向的尺寸相比有明顯差別,故選擇圖3中2所示長(zhǎng)圓形型孔。根據(jù)內(nèi)充式排種設(shè)計(jì)原理,選取排種滾輪外徑D為160mm,型孔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式:式中C——種子的三維尺寸,即種子長(zhǎng)、寬、厚,mmB——型孔長(zhǎng)度,mm依據(jù)公式(1),參考油菜、小麥種子的幾何尺寸,確定油菜型孔直徑為3mm、小麥型孔l=t=4mm(如圖3所示);油菜、小麥型孔厚均為4mm,排種滾輪內(nèi)徑為152mm。α為排種滾筒加工時(shí)型孔傾角,即型孔內(nèi)壁面與排種滾筒徑向的夾角,合適的α角不但能夠保證充入多顆種子的型孔進(jìn)入護(hù)種區(qū)前完成自助清種,避免型孔內(nèi)種子與護(hù)種板之間的剪切而導(dǎo)致的種子破損,而且有助于種子在排種區(qū)順利排出。依據(jù)油菜、小麥休止角,選擇油菜、小麥的α分別為:α1=30°、α2=45°。2.2氣室結(jié)構(gòu)分析結(jié)果護(hù)種板焊接在右罩殼上,與排種滾輪成間隙配合(如圖4所示),其作用是保證種子在運(yùn)送過(guò)程中不脫離型孔,順利到達(dá)投種區(qū)。護(hù)種板包角為θ=0.806π+β,其中0.806π由氣室結(jié)構(gòu)分析計(jì)算得出,護(hù)種角β大小與排種滾輪圓周線(xiàn)速度、型孔角α密切相關(guān);護(hù)種板始端設(shè)有弧形凹陷區(qū),使種子平滑過(guò)渡到護(hù)種區(qū),避免型孔內(nèi)種子受到護(hù)種板的剪切作用而破損。2.3氣室流量平衡公式氣室結(jié)構(gòu)是由隔氣板、右罩殼和排種滾輪內(nèi)腔形成的,如圖1中的5所示。其作用是通過(guò)進(jìn)氣管輸入氣體,使排種滾輪內(nèi)腔與卸種口形成壓力差,從而保證排種器順利完成排種作業(yè),有效防止型孔堵塞。為保證氣室里氣流穩(wěn)定,提高播種均勻性,在右罩殼上開(kāi)有一平衡氣孔以調(diào)節(jié)氣室氣體流量、穩(wěn)定氣室壓力值。平衡氣孔與進(jìn)氣管關(guān)系由氣室流量平衡公式可得,氣室流量q公式為:式中A——進(jìn)出氣截面積,m2v——?dú)怏w流速,m/sT——?dú)怏w流動(dòng)方向與進(jìn)出氣口橫截面法線(xiàn)夾角的余弦值要使得氣室壓力穩(wěn)定,氣室的流量需為凈流量,即q=q進(jìn)+q出=0。由于氣室較小,氣體流速v可忽略其變化,為常數(shù),現(xiàn)假定T=1(氣體流進(jìn)出平行于橫截面法線(xiàn)),則有:q進(jìn)=?A進(jìn)dA=?A進(jìn)dA進(jìn)=q出=?A出dA=?A出dA出(2)式中q進(jìn)——進(jìn)氣流量,m3/sq出——出氣流量,為q型+q平,m3/s由公式(2)可知A進(jìn)=A出,因型孔的大小已確定,所以型孔出氣量q型以及型孔截面積A型都為已知,故可知平衡氣孔和進(jìn)氣管大小的關(guān)系。另因氣室密封性,所選取的進(jìn)氣管截面積較大,故選取進(jìn)氣管直徑為:油菜12mm,小麥18mm,平衡氣孔均為4mm。氣室區(qū)域即為排種區(qū)域,其大小由型孔角α和種子休止角確定,型孔進(jìn)入排種區(qū)時(shí),型孔內(nèi)壁面與圖1中4a2隔氣板所形成的夾角必須大于種子休止角,故選擇氣室區(qū)域?yàn)?.194π,如圖6中所示。3輪轉(zhuǎn)速、護(hù)種板油菜、小麥兼用型排種器工作過(guò)程分為充種、清種、護(hù)種和卸種4個(gè)過(guò)程。其中排種滾輪轉(zhuǎn)速Vp直接影響該排種器充種效果;護(hù)種板β角決定油菜、小麥兼用型排種器的清種效果,影響種子的破損率;所需最小氣室壓力p、型孔角α直接影響排種器的排種效果,因此該排種器的關(guān)鍵參數(shù)為型孔角α、護(hù)種板β角、氣室壓力p和排種滾輪轉(zhuǎn)速Vp。3.1種子極限線(xiàn)速度充種區(qū)種子在型孔上方運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,其質(zhì)心降至低于型孔上表面時(shí),才能保證進(jìn)入型孔。按照自由落體方程可求出直徑為d的球形種子的充種極限線(xiàn)速度:Vip≤(Ai?di2)gdi??√Vip≤(Ai-di2)gdi(3)式中Vp——排種滾輪線(xiàn)速度,m/sA——型孔的直徑,md——種子的直徑,mg——重力加速度,m/si——為1、2;其中1表示油菜子、2表示小麥參照文獻(xiàn)中部分參數(shù),由公式(3)可知排種滾輪的極限線(xiàn)速度,油菜種子的充種極限線(xiàn)速度為V1p≤0.18m/s;假設(shè)小麥種子是臥躺在型孔內(nèi),小麥端面最大處的質(zhì)心在型孔內(nèi)時(shí),小麥必充入型孔內(nèi),則小麥種子的充種極限線(xiàn)速度為V2p≤0.13m/s。3.2排種板及護(hù)種板選擇忽略種子與型孔壁的摩擦,則種子受力如圖5所示。其受力分析中假設(shè)小麥臥躺在型孔內(nèi),可知中間剖面近似圓形,故其受力如圖5虛線(xiàn)圓所示,圖中實(shí)線(xiàn)圓代表的是油菜子軸心剖面。油菜、小麥的物料特性迥異,其受力的質(zhì)心有所不同,圖中O為油菜質(zhì)心,O′為小麥質(zhì)心,但充種區(qū)受力的形式基本相同;由力學(xué)平衡方程可知:式中G——種子重力mig,NF——種子受到的離心力mirω2i,NN——種子受到型孔壁面的支撐力,NΦ——重力與Y軸夾角,ωt+αω——排種滾輪轉(zhuǎn)速,r/minr——排種滾輪半徑,m為使排種滾輪在重力作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清除型孔外側(cè)種子,則必有∑Y>0,即要使清除的種子有沿排種滾輪徑向的運(yùn)動(dòng),由公式(4)可得其徑向加速度ε:當(dāng)型孔充有多顆種子時(shí),型孔外側(cè)種子的質(zhì)心不在型孔內(nèi)時(shí),種子就會(huì)自助清除;若型孔外側(cè)種子質(zhì)心在型孔內(nèi),需要種子在重力等作用下使其質(zhì)心偏離型孔內(nèi),后做自由落體運(yùn)動(dòng)滑落到充種區(qū)。型孔內(nèi)種子只有型孔的傾角向下才有徑向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),選取圖5中π/2-α位置為起始點(diǎn),到剛進(jìn)入護(hù)種板內(nèi)為終止點(diǎn),計(jì)算出型孔內(nèi)種子相對(duì)位移s,此階段需要的時(shí)間t=π/2?βi?αiωit=π/2-βi-αiωi,則有:為確保型孔內(nèi)的種子不被護(hù)種板剪切,依據(jù)前面所設(shè)計(jì)護(hù)種板的功能以及型孔大小的經(jīng)驗(yàn)公式,選擇合適的相對(duì)位移s,油菜子選擇為1.5～2mm、小麥選擇為0.7～1.2mm。排種滾輪的轉(zhuǎn)速為ViprVipr,代入公式(6)可以得出護(hù)種板護(hù)種角、型孔角和排種滾輪線(xiàn)速度之間的關(guān)系為:由前面求解得排種滾輪極限線(xiàn)速度、型孔角;由公式(7)得出護(hù)種板護(hù)種角β:即31.5°<β1<43.2°,36.18°<β2<41.4°型孔內(nèi)的種子經(jīng)過(guò)清種區(qū)后,進(jìn)入護(hù)種區(qū),在護(hù)種板的保護(hù)下,種子順利進(jìn)入投種區(qū);排種滾輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,護(hù)種板相對(duì)于罩殼靜止,充入種子的型孔進(jìn)入護(hù)種區(qū)域后,在護(hù)種板支撐下實(shí)現(xiàn)護(hù)種功能。3.3種子型孔堵塞此過(guò)程種子主要受到重力G、離心力F、型孔壁與種子的摩擦力f、支持力N以及氣體壓力P等,其受力圖如圖6所示。一般而言,大中粒徑種子在重力和離心力的作用下可以完成卸種,此時(shí)型孔壁與種子的摩擦力可以忽略。型孔堵塞的產(chǎn)生一般是由于經(jīng)過(guò)清種區(qū)后型孔內(nèi)仍充有多顆種子并與護(hù)種板產(chǎn)生擠壓等作用,發(fā)生種子破損,導(dǎo)致其與型孔內(nèi)壁摩擦力變大,經(jīng)卸種區(qū)后仍未能卸除,造成型孔堵塞。對(duì)于油菜等質(zhì)量較小的小粒徑種子,僅靠重力和離心力的作用難以甚至不能完成卸種。故本文的排種器設(shè)計(jì)有氣室,通過(guò)在氣室與排種口之間形成正壓力差,配合重力和離心力一起作用,使卸種順利實(shí)現(xiàn),從而有效避免了型孔堵塞。由圖6可知:式中γ——?dú)鈮毫εc重力夾角,為-0.194π+ωtfi——種子與型孔內(nèi)壁摩擦力,為μiNi,Nμ——種子與型孔內(nèi)壁摩擦系數(shù)為確保種子在氣體壓力作用下完成卸種作業(yè),種子在型孔剛進(jìn)入充種區(qū)時(shí)其位移s必須大于型孔厚度4mm。由公式(8)可知此階段種子的位移為:通過(guò)前文可知排種滾輪線(xiàn)速度以及型孔角,由壓強(qiáng)公式可知:式中S——型孔截面積,m2型孔的截面積:由公式(9)—公式(11)可知?dú)馐覊簭?qiáng)P的取值為:P1>342Pa、P2>458Pa。4種床帶速度和株距試驗(yàn)材料:油菜子華雜4號(hào),種子千粒質(zhì)量為4.1g,粒徑范圍1.5～2.5mm,含水率7.1%,自然休止角27.6°;小麥華麥13號(hào),種子千粒質(zhì)量37.7g、休止角25°,含水率4.68%。試驗(yàn)設(shè)備:哈爾濱博納科技有限公司生產(chǎn)的JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)參數(shù)選擇:最佳排種滾輪線(xiàn)速度為0.06～0.12m/s<Vp,種床帶前進(jìn)速度為2.4km/h(模擬機(jī)具田間作業(yè)行走速度)。由于較低的排種滾輪線(xiàn)速度會(huì)使播種作物株距較大,有利于測(cè)量,因此選擇排種滾輪線(xiàn)速度為0.06m/s,則理論株距為80mm;氣室壓力過(guò)大會(huì)泄漏到充種區(qū),影響種子流,擾亂充種區(qū)充種過(guò)程,故選擇氣壓為:P1=400Pa>342Pa,P2=500Pa>458Pa;護(hù)種板β角考慮實(shí)際工況存在振動(dòng)以及為了便于加工,故選擇護(hù)種板β角比理論上的上限值略大,即π/4。試驗(yàn)設(shè)計(jì):隨機(jī)在種床帶上選取10段,測(cè)量單位長(zhǎng)度內(nèi)合格株距數(shù)。所設(shè)計(jì)排種器型孔可充入1～2粒種子,在排種器工作過(guò)程中,種床帶上有2粒種子距離較近,可視為同一型孔內(nèi)排出。合格指數(shù)Y計(jì)算公式為:式中n——測(cè)試符合設(shè)定株距總數(shù)N——總株距數(shù)圖7所示為氣力式油菜小麥兼用型精量排種器在排種器試驗(yàn)臺(tái)上播種油菜和小麥的試驗(yàn)效果,圖7(b)中小麥株距與實(shí)際生產(chǎn)中有差異,可通過(guò)調(diào)節(jié)種床帶速度減小其理論株距,但本試驗(yàn)為了便于測(cè)量,故設(shè)計(jì)其在種床帶上理論株距較大。圖8為所測(cè)試10段內(nèi)種子株距的分布,測(cè)得株距合格指數(shù)Y分別為:油菜83.1%、小麥63.6%,滿(mǎn)足油菜、小麥農(nóng)藝種植要求。5排種器性能分析(1)實(shí)現(xiàn)油菜、小麥兼用排種功能可有效提高機(jī)具的利用率,提出應(yīng)用填補(bǔ)空間實(shí)現(xiàn)充種;利用重力和壓力差排種及防止型孔堵塞原理,分析確定該排種器